通风空调系统中紫外线辐射消毒应用

1、紫外线消毒在通风空调系统中应用的可能性
众所周知，紫外线消毒效果是由微生物所接受的辐射剂量大小来决定。紫外线辐射剂量的定义是，在达到一定的微生物灭活率时所需要的特定波长紫外线的量。这涉及两个方面：一是特定波长紫外线的辐射剂量；二是与灭活率有关的微生物对紫外线辐射的敏感程度。由此可见，紫外线照射剂量越大，微生物对紫外线越敏感，其消毒效率就越高。
微生物接受到的紫外线辐射剂量一般以下式表示:
D=I﹒t
式中，D为辐射剂量，µJ/cm²
   I为平均辐射强度，µW/cm²，或µJ/（s.cm²）
   t为辐射时间,s
该公式看上去简单，其实在应用中却很复杂。首先，一个空间无论设置几个紫外线辐射装置，其各处的辐射强度是不同的。其次，当一颗微生物沿着弯曲的路径穿过即使是均匀辐射的空间，接受到的辐射量也是各不相同。
微生物群暴露在紫外线辐射下的存活率（S）与辐射量成指数关系：
S=e^-kD
式中，k是一个与细菌微生物种类有关的灭活率常数（cm²/µJ）。而灭活率（η）表示微生物群全部通过紫外线辐射区域后失去活性了的百分数，是效率的概念，而存活率S则类似于穿透率，这两者的关系见下式：
η=1-S
因此，灭活率η也被视作紫外线总体消毒效果的一种指标。
灭活率常数k值是涉及紫外线总体消毒效果的关键因素。一般来说，病毒比细菌、细菌比真菌更容易受到紫外线辐射的影响。即使这样，在工程应用中做到正确选用k值通常也比较困难。不仅k值本身会使得由不同比例、不同种类的微生物组成微生物群的存活率计算变得更为复杂，而且同一种类微生物的k值有时也会差别巨大。另外，环境空气的相对湿度与k值之间的关联也很复杂。只有当环境空气相对湿度到达70%时，相对湿度才会对k值产生影响。因此，紫外线消毒装置的使用和运行是以环境空气相对湿度低于60%的工况为佳。
要将紫外线消毒装置应用到通风空调系统中，紧靠这些计算公式和数据是不够的，设计者还应该综合这些参数或灭火效果估算出一个平均值或最不利场合下的数值，以实现在工程上应用的可能性、安全性。
2、紫外线消毒在通风空调系统中实施
紫外线消毒装置在工程上的设计依赖于紫外线灯制造商给出的工作性能参数，以及消毒装置制造商的建议和系统设计者的经验。多数制造商有详尽的估算紫外线辐射量的方案，这些方案或给出数据列表，或给出数学建模，或给出复杂的计算方程式。但通风空调系统设计者常常选用较大型号的紫外线消毒装置来确保其设计性能的实现。
通常，在通风空调系统中将紫外线消毒装置设置在空气处理机组或风管道内，对系统表面和流经的空气气流产生消毒功效。紫外线较好的消毒效果应在20～40℃环境温度范围，环境空气相对湿度至少低于80%，且空气含尘浓度的使用场所环境，或是易发生微生物污染的场所，或是环境相对湿度高于80%、温度低于20℃，或是含尘浓度过高的场所。
虽然空气过滤器除菌的有效性已得到公认，但除菌性能越高，其自身空气阻力也越高，从而限制了高性能过滤器的广泛使用。空气过滤器是任何通风空调标准或规范所规定的最基本的配置。通风空调系统内紫外线消毒装置总是与空气过滤器相配套、相结合才能有效的使用。空气过滤器不仅能有效减少尘埃、紫外线的干扰，通过提高紫外线辐射强度，客观上空气过滤器还能帮助除去那些对紫外线辐射不敏感的较大微生物颗粒，让更多易受紫外线辐射影响的细菌和病毒灭活。只要通风空调系统送风能力允许，就应推荐使用更高性能的空气过滤器，以提高系统内空气的洁净度。
由于紫外线是直线传播且穿越物体的穿透性差，当采用紫外线消毒装置为物体表面进行消毒时，该物体最好是表面清洁。在通风空调系统内安装紫外线消毒装置时，风管道内壁、盘管和凝水盘等部位需要预处理清洁，尤其是当盘管有异味或者有细菌滋长时更应如此，而不是当表面出现滋菌、积尘现象时才简单的安装紫外线消毒装置。紫外线消毒装置的主要作用是抑制细菌滋生和繁殖，而不是杀灭原本已经大量滋生了的细菌。当然，在空气处理机组内紫外线灯可以以任何角度安装在盘管的入口或者出口侧，在靠近盘管侧采用间隔安装，以便使紫外线能量均匀分布。也可以采用反射器，使紫外线能量集中照射到盘管表面。一般来说，把紫外线消毒装置安装在盘管的出口侧效果比较好，同时又可以加强其对盘管出口侧凝水盘内的辐照效果。紫外灯管合理确切的布置与安装，取决于对空气处理机组的结构形式和灯具种类的选择。紫外灯管应该全天全时连续工作。持续的紫外线辐照，使空调机组内部的紫外线得以保持一定的量，从而可以有效抑制位于辐射等级相对较低部位的微生物的滋长。
由于反射器将紫外线能量集中到了需要清洁的物体表面，从严格意义上讲，这种表面消毒方式通常不适用于对流动空气进行消毒。要达到空气消毒效果，必须形成尽可能大的辐照强度区域，同时气流以较慢的速度通过该区域，以使流动空气能接受到足够剂量的紫外光辐射。通常，合理设计的空气消毒系统能够对空气进行消毒，同时又能保持物体表面清洁，这样的系统通常不设有阻碍紫外线散播的能源反射器或镇流器。
虽然在理论上紫外线消毒装置可以安装在风速很高的风管道内，但由于空气处理机组内部空间较大，空气气流流经速度较低（2.5m/s），紫外线消毒装置通常被安装在空气处理机组内部。无论是对机组内表面还是对流经的空气气流而言，使微生物灭活所需的紫外线辐射剂量是相同的。为了弥补气流与紫外线接触时间短的不足，对空气进行消毒时，相对于对物体表面消毒而言，系统则需要更高的辐射水平，这就需要配置单位紫外线发射量更大的紫外线灯管，也可以在风管道内布置数量更多的紫外线灯，充分的辐射，使空气在一个较长的路径内尽可能多的接触紫外线辐照。权衡这些因素的影响，最佳方法是放弃对凝水盘的消毒，将灯具直接安装在盘管出口侧通道处，达到实现紫外线充分消毒功效所需的辐照时间。
在聚集了免疫力低下人群的建筑中，通风空调系统内消毒装置应持续使用，而在安装于传统商业建筑内的系统装置则可以间歇运行，在大楼正常使用时段开启系统，在大楼设施不用时关闭系统。这样做可以在系统工作时间内节约能源，降低灯具损耗更换的频率，同时又能提供合适的室内空气品质。间歇运行这种方式必须在设计系统方案初期就被考虑在内，因为紫外线灯工作时间的长短是一个影响其辐照输出量和使用寿命的重要因素。因此，紫外线消毒装置需要定期清洁、检查与更换，特别要防止意外破损。一旦发现破损，为防止灯管内汞蒸气泄漏污染空气，须立即关闭空调机组，打开空调机组所有检修门，以及空调机所在机房的门窗，维持15min后才能进入并清理与更换。